开关电源设计手册 SMPS design

开关电源设计手册

目录

1 隔离式电源设计

1.1 有源功率因数校正

1.2 反激式电源设计

1.3 正激式电源设计

2 非隔离式电源设计

2.1 非隔离式降压型电源设计

1.1 有源功率因数校正

APFC: Active Power Factor Correction

一, 功率因数校正的基本原理

理论上: P.F.= P/S=(REAL POWER)/(TOTAL APPARENT POWER)=Watts/V.A.

=有功功率/视在功率

对于输入电压和电流都是理想的正弦波的情况, 如果把输入电压和输入电流的相位差定义为φ, 那么, P.F.=P/S=Cosφ. 相应的功率相量图如下:

对于非理想的正弦波, 假设输入电压为正弦波, 输入电流为周期性的非正弦波, 比如在实际的AC-DC线路中广泛应用的全波整流, 只有当输入电压大于电容的电压时, 才有市电电流给电容充电.

在这种情况下, 电压有效值Vrms=Vpeak/√2

周期性的非正弦波电流经过傅里叶变换为:

(Io: 电流直流分量; I1RMS: 电流基波分量, 頻率与V

相同; I2RMS….I nRMS: 电流谐波分量, 频率为基波的

2….n 倍. )

对于纯净的交流信号, Io=0; I1RMS基波分量有一个

同向成份I1RMSP和一个求积成份I1RMSQ.

于是电流有效值可以表达为:

有功功率P=V RMS*I1RMSP=V RMS*I1RMS*Cosφ1

(φ1: 输入电压和输入电流基波分量I1RMS的相位差)

S=V RMS*IRMS total

于使功率因数Power Factor 可以表达为:

P.F.=P/S= (I1RMS/I RMS total)* Cos φ1;

定义电流失真系数K= I1RMS/I RMS total = Cosθ; θ为失真角(Distortion angle); K 为与电流谐波(Harmonic) 分量有关的系数. 如果总的谐波分量为零, K 就为1.

最后, 可以表达为: P.F.=Cos φ1*Cos θ ; 功率向量图如下:

φ1 是电压V与电流基波I1RMS之间的相量差;

θ是电流失真角;

可见功率因数 (PF) 由电流失真系数 ( K ) 和基波电压、基波电流相移因数( Cos φ1) 决定。Cos φ1低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，K值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。

由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于180o，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数(Cos φ1)和电流失真系数（K）相比，输入电流失真系数（K）对供电线路功率因数 (PF) 的影响更大。

为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2等标准，它们规定了允许产生的最大谐波电流。我国于1994年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93）。

二, PF与总谐波失真系数（THD: Total Harmonic Distortion）的关系

三.功率因数校正实现方法

由功率因数: P.F.=Cos φ*K = 1可知，要提高功率因数，有两个途径：

1.使输入电压、输入电流同相位。此时Cos φ =1, 所以PF=K

2.使输入电流正弦化。即I RMS=I1RMS（谐波为零），有I1RMS/IRMS=1 , 即

P.F.=Cos φ*K = 1

从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器.

四, 有源功率因数校正方法分类

1．按有源功率因数校正电路结构分

（1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。

（2）升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

（3）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于

150W以下功率的应用场合。

（4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75W~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：

•1电路中的电感L适用于电流型控制。

•2由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大。

•3在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。

•4输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。

•5升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。

UC3854, L4981是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。

2．按输入电流的控制原理分

（1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形图如图1（a）所示。TI的UC3854, ST的L4981就工作在平均电流控制方式。一般用于输出功率Po > 400~500W 的大功率场合 .

这种控制方式的优点是：

•1恒频控制。

•2工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。

•3能抑制开关噪声。

•4输入电流波形失真小。

主要缺点是：

•1控制电路复杂。

•2需用乘法器和除法器。

•3需检测电感电流。

•4需电流控制环路。

（2）滞后电流型。工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图1（b）所示。一般用于输出功率200W < Po < 400W 的中等功率场合.

（3）峰值电流型。工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图1（c）所示。一般用于输出功率Po < 250W 的小功率场合.